CA1310170C - Head heating continuous casting ingot mold - Google Patents

Head heating continuous casting ingot mold

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CA1310170C
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refractory material
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Michel Larrecq
Jacques Petegnief
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    • B22D11/00Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/059Mould materials or platings

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Abstract

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Description

DESCRIPTION

LINGtYPIEi2E DE COULEE CONTINUE A TETE CHAUDE.
L'invention concerne une lingotière verticale ou sensi-blement verticale pour la coulée continue des métaux en fusion tel que l'acier. Plus particulièrement, l'invention concerne une lingotière en cuivre ou alliage de cuivre, à tête chaude, c'est-à-dire dans laquelle les échanges thermiques, au niveau du ménisque, entre le métal coulé et la lingotière sont ralentis de manière à atténuer les rides d'oscillation sur le produit coulé.
On connaît, par exemple par les documents FR-A-2 528 738 et FR-A-2 540 409, une telle lingotière, dont les parois énergé-tiquement refroidies par circulation d'un liquide de refroidis-sement, comportent à leur partie supérieure un insert métallique d'acier inoxydable, dont la conductivité thermique est inférieure à celle du métal constituant les parois de la lingotière. De la sorte, le métal est moins refroidi au voisinage du ménisque, ce ql,ai permet de diminuer la profondeur des rides d'oscillation et la longueur de la corne solidifiée qui accompagne leur forma-tion. On sait que de telles rides constituent des points sensi-bles où naissent préférentiellement des criques de surface préju-diciables à la qualité du produit fini.
La mise en place de cet insert métallique, dont l'épaisseur moyenne peut être de quelques millimètres (l'épaisseur peut être uniforme, ou bien décroître du haut en bas de l'insert), se fait selon une technique coûteuse (en général placage par explosion) en raison de la nécéssité d'obtenir un contact parfait entre l'insert métallique et la paroi de la lingotière. Cette nécessité résulte notamment du fait que toute résistance thermique de contact non nulle introduit une donnée prédéterminée et non reproductible dans la résis=tance thermique globale de la lingo-tière. D'autre part, ces lingotières comportent souvent un revête-ment superficiel d'usure en nickel destiné à éviter la formation de criques en étoile dans le produit coulé z l'addition d'une résistance thermique de contact risque de conduire le nickel à une température proche de sa limite autour de 600 C (tempéra-
DESCRIPTION

CONTINUOUS CASTING LINGtYPIEi2E WITH HOT HEAD.
The invention relates to a vertical or sensitive ingot mold vertical position for continuous casting of molten metals such as steel. More particularly, the invention relates a copper or copper alloy ingot mold, with a hot head, that is to say in which the heat exchanges, at the level meniscus, between the cast metal and the mold are slowed down so as to reduce the oscillation wrinkles on the product sunk.
We know, for example from documents FR-A-2 528 738 and FR-A-2 540 409, such an ingot mold, whose energetic walls cooled by circulation of a coolant contain a metal insert at the top stainless steel with lower thermal conductivity to that of the metal constituting the walls of the mold. Of so, the metal is less cooled near the meniscus, this ql, ai allows to decrease the depth of the oscillation wrinkles and the length of the solidified horn which accompanies their formation tion. We know that such wrinkles constitute sensitive points.
wheat where preferential surface cracks arise tell the quality of the finished product.
The installation of this metal insert, the thickness of which average can be a few millimeters (the thickness can be uniform, or decrease from top to bottom of the insert), is done using an expensive technique (usually plating by explosion) due to the need for perfect contact between the metal insert and the wall of the mold. This necessity results in particular from the fact that any thermal resistance of non-zero contact introduces a predetermined data and not reproducible in the overall thermal resistance of the lingo-third. On the other hand, these ingot molds often have a coating nickel surface wear to prevent formation of star cracks in the cast product z the addition of a thermal contact resistance may lead to nickel at a temperature close to its limit around 600 C (temperature-

2 ture du métal au voisinage de la paroi e environ 1540 C).
Le but de l'invention est de proposer un nouveau type d'insert pour lingotière à tête chaude, qui ne présente pas les inconvénients précités.
Selon l'invention, l' insert, de 10 à 20 cm de long environ, est constitué par un mince dépôt d'un matériau réfractaire à
faible conductivité thermique ayant une bonne tenue aux chocs thermiques, et dont l'épaisseur, prise entre environ 200 et 500 m, est choisie de manière que, à la température de contact du métal avec ledit matériau déposé, ledit métal en cours de solidification présente une fraction solide comprise entre 25 et 35 % environ en poids.
Les inventeurs ont en effet constaté que si la fraction solide à la surface du métal coulé est supérieure à environ 35 %, on obtient, par refroidissement dans la zone du ménisque proche de la paroi de la lingotîère, une corne épaisse et rigide qui ne peut plus se déformer, ce qui entraîne la formation des rides d'oscillation.
Inversement, si la fraction solide est faible, le ménisque n'a plus de consistance ni rigidité; mais maintenir une fraction liquide inférieure à 25 $'revient à inhiber une part importante du refroidissement en lingotière.
Dans le domaine considéré, les matériaux réfractaires choisis résistent à des températures d'environ 1800 C. Leur conductivité
thermique est de préférence inférieure à 10 W.mK-1, à comparer à des conductivités de l'ordre de 50, 100 et 300 W.m 1K respec-tivement pour des inserts en inox, nickel et alliage cuivre-argent.
Les faibles épaisseurs envisagées sont avantageusement comprises entre 2 et 5/10e de mm, à comparer aux quelques milli-mètres d'épaisseur des inserts métalliques.
Les matériaux réfractaires sont notamment l'alumine (tempé-rature de fusion : 2040 C ; conductivité thermique s'échelonnant entre 2 W.m 1K 1 et des valeurs supérieures selon le traitement subi), la zircone (température de fusion 2700 C ; conductivité
thermique 1 W.m.1Kle nitrure de bore, ou, de manière - , r . .. . ,
2 ture of the metal near the wall e about 1540 C).
The object of the invention is to propose a new type insert for hot-mold, which does not have the aforementioned drawbacks.
According to the invention, the insert, approximately 10 to 20 cm long, consists of a thin deposit of a refractory material to low thermal conductivity with good impact resistance and whose thickness, taken between around 200 and 500 m, is chosen so that, at contact temperature metal with said deposited material, said metal being solidification has a solid fraction between 25 and About 35% by weight.
The inventors have indeed found that if the fraction solid at the surface of the cast metal is greater than about 35% is obtained by cooling in the meniscus area close to the wall of the mold, a thick and rigid horn which can no longer deform, which leads to the formation of swing wrinkles.
Conversely, if the solid fraction is weak, the meniscus no longer has consistency or rigidity; but maintain a fraction liquid less than $ 25 'amounts to inhibiting a significant portion ingot mold cooling.
In the field considered, the refractory materials chosen withstand temperatures of around 1800 C. Their conductivity thermal is preferably less than 10 W. mK-1, to compare at conductivities of the order of 50, 100 and 300 Wm 1K respec-tively for stainless steel, nickel and copper-silver alloy inserts.
The small thicknesses envisaged are advantageously between 2 and 5 / 10ths of a mm, compare to a few milli-meters of metal inserts.
The refractory materials are in particular alumina (temperature-melting point: 2040 C; thermal conductivity ranging between 2 Wm 1K 1 and higher values depending on the treatment undergone), zirconia (melting temperature 2700 C; conductivity thermal 1 Wm1Kle boron nitride, or, so -, r. ... ,

3 préférée, le carbure de chrome (température de fusion : 1800 conductivité thermique : 7,5 W.m-1K-1).
Le dépôt du matériau s'obtient par projection de manière pulvérulente à chaud, par exemple au moyen d'une torche à plasma ou de préférence d'un canon à clétonation (selon la technique commercialisée par la société "Union Carbide Corporation"), suivi d'un polissage. Cette technique permet d'obtenir un accro-chage excellent entre le support et le matériau d'apport, et un revêtement homogène exempt d'aspérité.
Le dépôt est pratiqué dans un évidement de la paroi de la lingotière, de profondeur égale à l'épaisseur du dépôt, prati-qué soit dans le cuivre de la paroi, soit dans le revêtement superficiel de nickel ou de chrome s'il en est prévu un.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un mode particulier de réalisa-tion de l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une coupe partielle de la paroi d'une lingotière conforme à l'invention, - la -figure 2 est une vue similaire lorsque la lingotière est pourvue d'un revêtement superficiel, - la figure 3 est un graphique montrant la variation du flux surfacique de chaleur dissipée par la lingotière en fonction de la distance par rapport à la surface du ménisque (ordonnée 0), - la figure 4 est une représentation du profil des rides d'oscillations sur des brames de coulée continue dans une lingo-tière selon l'invention, - la figure 5 est une représentation similaire avec une lingotière sans insert.
Sur la figure 1, la paroi 1 en cuivre comporte un évidement 2 de 3/10e mm d'épaisseur et d'une quinzaine de centimètres de hauteur couvrant la région du ménisque compte tenu des oscil-lations d'une part et des éventuelles variations de niveau moyen.
L'évidement 2 est comblé par un dépôt 3 de Cr3C2 obtenu par ~,~

= . ~ V ~ V J~ ~~ 'V
3 preferred, chromium carbide (melting temperature: 1800 thermal conductivity: 7.5 Wm-1K-1).
The deposition of the material is obtained by spraying so hot powder, for example using a plasma torch or preferably a cloning cannon (depending on the technique marketed by the company "Union Carbide Corporation"), followed by polishing. This technique provides an addictive excellent chage between support and filler material, and a homogeneous coating free of roughness.
The deposit is made in a recess in the wall of the ingot mold, of depth equal to the thickness of the deposit, practically either in the copper of the wall or in the coating surface of nickel or chromium if one is provided.
Other features and advantages will appear in the description which will be made of a particular embodiment tion of the invention. Reference is made to the accompanying drawings in which - Figure 1 shows a partial section of the wall an ingot mold according to the invention, - Figure 2 is a similar view when the mold is provided with a surface coating, - Figure 3 is a graph showing the variation of surface flux of heat dissipated by the mold in function distance from the meniscus surface (ordinate 0), - Figure 4 is a representation of the profile of wrinkles of oscillations on continuous casting slabs in a lingo-third according to the invention, - Figure 5 is a similar representation with a ingot mold without insert.
In FIG. 1, the copper wall 1 has a recess 2 of 3 / 10th mm thick and about fifteen centimeters high covering the meniscus region taking into account the oscil-on the one hand and possible variations in the average level.
The recess 2 is filled with a deposit 3 of Cr3C2 obtained by ~, ~

=. ~ V ~ VJ ~ ~~ 'V

4 projection au canon à détonation, suivi d'un polissage.
Sur la figure 2, l'évidement 2' est pratiqué à partir du revêtement de chrome 4, de 0,3 mm d'épaisseur, couvrant la paroi 1' de la lingotière. Le matériau 3' affleure la surface interne de la lingotière.
Le graphique de la figure 3 permet de comparer les valeurs des densités locales de flux therniique ~c extrait par la lingo-tière équipée d'un insert selon l'invention, en carbure de chrome (courbe B), aux valeurs obtenues en utilisant une lingotière conventionnelle sans insert (courbe A). La droite C en traits interrompus située, à d Le 70 mm, correspond à la limite inférieure de l'insert, ce qui, dans ce cas particulier, et pour un insert de 150 mm de haut environ, indique que le ménisque se trouve sensiblement à ati- hauteur dudit insert. Les deux courbes A
et B correspondent à la couléecontinue de brames avec une vitesse d'extraction de 1,3 m/min.
Dans les conditions d'échange thermique retenues pour cet exemple, les inventeurs ont pu constater,par l'étude d'un modèle mathématique établi pour un refroidissement en lingotière sans =insert, que la température de surface de l'acier au contact avec la lingotière est proche du solidus de la nuance d'acier (1493 C), ce qui indique une solidification importante de la corne du ménisque. Pour ramener la fraction solidifiée au contact avec la lingotière à environ 30 %, les inventeurs ont trouvé
qu'il fallait divisér par quatrel'extraction calorifique assurée par les.parois de cuivre au voisinage du ménisque.
On remarque sur la figure 3 que, conformément au but re-cherché, dans la zone de l'insert la densité de flux thermique extrait par la lingotière est sensiblément divisé par un facteur 4. En effet dans une lingotière classique, la densité de flux extrait -au voisinage du ménisque est de l'ordre de 2 MW/mZ (courbe A), et l'utilisation d'un insert mince en carbure de chrome ramène cette valeur au voisinage de 500 kW/m2.
De plus, dès la sortie de l'insert (ligne en traits inter-rompus), l'extraction calorifique mesurée localement est proche
4 projection with detonation cannon, followed by polishing.
In FIG. 2, the recess 2 ′ is made from chromium 4 coating, 0.3 mm thick, covering the wall 1 'of the mold. 3 'material is flush with the surface internal of the mold.
The graph in Figure 3 compares the values local densities of thernial flux ~ c extracted by the lingo-face fitted with an insert according to the invention, of chromium carbide (curve B), at the values obtained using an ingot mold conventional without insert (curve A). Line C in lines interrupted located, at d The 70 mm, corresponds to the lower limit of the insert, which, in this particular case, and for an insert about 150 mm high, indicates that the meniscus is substantially at- height of said insert. The two curves A
and B correspond to the continuous flow of slabs with a speed 1.3 m / min.
Under the heat exchange conditions adopted for this example, the inventors were able to observe, by studying a mathematical model established for ingot mold cooling without = insert, only the surface temperature of the steel in contact with the ingot mold is close to the solidus of the steel grade (1493 C), which indicates a significant solidification of the meniscus horn. To bring the solidified fraction back into contact with the mold at around 30%, the inventors found that it was necessary to divide by four the calorific extraction guaranteed through the copper walls near the meniscus.
Note in Figure 3 that, in accordance with the goal re-sought, in the zone of the insert the density of thermal flux extracted by the ingot mold is significantly divided by a factor 4. Indeed in a conventional ingot mold, the flux density extract - in the vicinity of the meniscus is around 2 MW / mZ (curve A), and the use of a thin chromium carbide insert reduces this value to around 500 kW / m2.
In addition, right out of the insert (line in inter-broken), the locally measured heat extraction is close

5 des valeurs obtenues sur une lingotière conventionnelle, ce qui permet de constater que le refroidissement global en lingotière en dessous de l'insert est peu perturbé par la présence de celui-ci.
Les figures 4 et 5 permettent de comparer les prbfils longitudinaux de la surface d'une brame d'acier à bas carbone coulée à la vitesse de 1,3 m/min avec une fréquence d'oscillation de 117 coups par minute. La figure 4 correspond à un profil obtenu par solidification contre la paroi d'une lingotière équipée d'un insert selon l'invention, et la figure 5 correspond à un profil équivalent obtenu avec une lingotière conventionnelle sans insert.
Il apparaît clairement que l'utilisation d'un insert dimi-nue notablement la profondeur des rides d'oscillation à la surface du produit, et améliore leur régularité. On a observé lors d'es-sais réalisés dans des conditions de coulée analogues, une diminu-tion systématique de 25 à 40 % de la profondeur des rides d'oscil-lat ion .
D'autres. essais réalisés avec des brames d'acier moyen carbone (c'est-à-dire à teneur en carbone voisine de 0,1 %) coulées à une vitesse de 0,8 m/min avec une fréquence d'oscilla-tion de 80 coups par minute, ont permis de mettre en évidence la différence de structure de solidification de la première peau d'une brame selon qu'elle est solidifiée dans une lingotière sans insert conforme à l'invention.
L'observation d'échantillons prélevés longitudinalement dans lesdites brames et attaqués par le réactif de Bechet-Beaugeard, révèle que, dans le cas de la lingotière conventionnelle sans insert, les rides sont profondes et se prolongent par une hétéro-généité de solidification résultant de la formation de la corne solidifiée au niveau du ménisque. La profondeur de la corne solidifiée est alors d'environ 1,7 mm. Dans le cas de la lingo-tière avec insert selon l'invention, les. rides apparaissent beaucoup moins marquées et la profondeur de pénétration de la corne solidifiée n'est que de 0,9 mm soit environ la moitié

~

seulement de la valeur observée en l'absence d'insert.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et aux applications décrites ci-dessus à titre d'exemple. En particulier les dimensions de l'insert peuvent être adaptées aux lingotières et produits coulés. Les parainètres de coulée (vitesse d'extraction, fréquence des oscillations) peuvent être adaptés et la lingotière selon l'invention peut être utilisée aussi bien en coulée continue de brames que d'autres produits (blooms).
5 values obtained on a conventional ingot mold, which shows that the overall cooling in the mold underneath the insert is little disturbed by the presence of it this.
Figures 4 and 5 compare the profiles of the surface of a low carbon steel slab casting at a speed of 1.3 m / min with an oscillation frequency 117 shots per minute. Figure 4 corresponds to a profile obtained by solidification against the wall of an ingot mold equipped of an insert according to the invention, and FIG. 5 corresponds to a equivalent profile obtained with a conventional ingot mold without insert.
It is clear that the use of a smaller insert notably the depth of the oscillation wrinkles on the surface of the product, and improves their regularity. We observed during know made under similar casting conditions, a decrease systematic 25 to 40% of the depth of the eyebrow wrinkles lat ion.
Others. tests carried out with medium steel slabs carbon (i.e. with a carbon content close to 0.1%) poured at a speed of 0.8 m / min with an oscillating frequency tion of 80 strokes per minute, allowed to highlight the difference in solidification structure of the first skin of a slab depending on whether it is solidified in an ingot mold without insert according to the invention.
Observation of samples taken longitudinally in said slabs and attacked by the Bechet-Beaugeard reagent, reveals that in the case of the conventional ingot mold without insert, the wrinkles are deep and extend through a hetero-solidification genius resulting from the formation of the horn solidified at the meniscus. The depth of the horn solidified is then about 1.7 mm. In the case of lingo-with insert according to the invention, the. wrinkles appear much less marked and the penetration depth of the solidified horn is only 0.9 mm or about half ~

only the value observed in the absence of an insert.
Of course, the invention is not limited to the modes of realization and to the applications described above as example. In particular the dimensions of the insert can be suitable for ingot molds and cast products. Paraineters casting (extraction speed, frequency of oscillations) can be adapted and the mold according to the invention can be used for continuous casting of slabs as well as others products (blooms).

Claims (7)

1. Lingotière verticale ou sensiblement verticale de coulée continue des métaux en fusion tel que l'acier, en cuivre ou alliage de cuivre, dont les parois énergétiquement refroidies par contact avec un liquide de refroidissement en circulation, comportent à leur partie supérieure un insert, réalisé en un matériau de conductivité thermique inférieure à celle du cuivre ou de l'alliage de cuivre, destiné à
ralentir les échanges thermiques, au niveau du ménisque, entre le métal coulé et la lingotière, caractérisée en ce que ledit insert, de 10 à 20 cm de long environ, est constitué par un dépôt d'un maté-riau réfractaire à faible conductivité thermique, ayant une bonne tenue aux chocs thermiques et dont l'épaisseur, prise entre environ 200 et 500 µm, est choisie de manière que, à la température de contact du métal avec ledit matériau déposé, ledit métal en cours de solidification présente une fraction solide comprise entre 25 et 35% environ en poids.
1. Vertical or substantially ingot mold vertical continuous casting of molten metals such than steel, copper or copper alloy, the walls energetically cooled by contact with a circulating coolant, have at their upper part an insert, made in a material with thermal conductivity lower than that copper or copper alloy, intended for slow down heat exchange, at the level of meniscus, between the cast metal and the mold, characterized in that said insert, from 10 to 20 cm in approximately long, consists of a deposit of a material refractory line with low thermal conductivity, having good resistance to thermal shock and of which the thickness, taken between around 200 and 500 µm, is chosen so that at the contact temperature metal with said deposited material, said metal in solidification course presents a solid fraction between about 25 and 35% by weight.
2. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau réfractaire a une température de fusion supérieure à 1500°C. 2. Ingot mold according to claim 1, characterized in that the refractory material has a melting temperature above 1500 ° C. 3. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau réfractaire a une conductivité thermique inférieure à 10 W.m-1K-1 3. Ingot mold according to claim 1, characterized in that the refractory material has a thermal conductivity less than 10 Wm-1K-1 4. Lingotière selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau réfractaire a une conductivité thermique inférieure à 10 W.m-1K-1. 4. Ingot mold according to claim 2, characterized in that the refractory material has a thermal conductivity less than 10 Wm-1K-1. 5. Lingotière selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que le matériau réfractaire est choisi dans le groupe suivant: alumine, zircone, nitrure de bore, carbure de chrome. 5. Ingot mold according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the refractory material is chosen from the following group: alumina, zirconia, boron nitride, chromium carbide. 6. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dépôt de matériau réfrac-taire est obtenu par projection de matière pulvéru-lente à chaud. 6. Ingot mold according to claim 1, characterized in that the deposit of refractory material silence is obtained by spraying powdered material slow to hot. 7. Lingotière selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dépôt est réalisé au moyen d'un canon de détonation. 7. Ingot mold according to claim 6, characterized in that the deposition is carried out by means a detonation cannon.
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